煙氣脫硫噴淋塔的數(shù)值模擬

1、第35卷第8期 2007年8月化 學 工 程 CHEMICALENGINEERING(CHINA)Vo.l35No.8Aug.2007煙氣脫硫噴淋塔的數(shù)值模擬趙健植,金保升,仲兆平(東南大學潔凈煤發(fā)電及燃燒技術教育部重點實驗室,江蘇南京 210096)摘要:以計算流體力學為基礎,在三維坐標系下采用標準k-E雙方程模型求解動量、能量和組分方程,結合漿滴蒸發(fā)模型及簡化的漿滴脫硫反應模型,以Euler-Lagrange方法建立了噴淋塔內(nèi)煙氣脫硫的數(shù)值計算模型,模型計算結果與孔華的試驗數(shù)據(jù)符合較好。模型計算結果表明,對于粒徑小的噴淋液滴,其煙氣脫硫反應和液滴蒸發(fā)主要發(fā)生在煙氣進口附近,而隨著液滴粒徑的

2、增大,液滴在塔內(nèi)蒸發(fā)和脫硫反應的過程延長。同時,增加煙氣溫度、降低煙氣中SO2的入口質(zhì)量濃度以及增加液氣比均有利于提高脫硫效率。文中模型相對于一維柱塞流模型,能夠直觀地顯示出噴淋塔內(nèi)的流場、溫度場和組分質(zhì)量濃度場的空間分布。關鍵詞:噴淋塔;漿滴;脫硫反應;蒸發(fā);數(shù)值模擬中圖分類號:X701.3 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9954(2007)08-0061-04NumericalsimulationoffluegasdesulphurizationbyspraytowerZHAOJian-zh,iJINBao-sheng,ZHONGZhao-ping(KeyLaboratoryonCl

3、eanCoalPowerGenerationandCombustionTechnologyoftheMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,JiangsuProvince,China)Abstract:Basedoncomputationalfluiddynamics,anumericalcalculationmodelforaspraytowerwasestablishedbyemployinganEuler-Lagrangeapproachinathree-dimensionalcoordinatesystem.Momen

4、tum,energyandcompositionequationsofslurry-dropletdesulphurizationweresolvedwiththehelpofstandardk-Edua-lequationmodelsinconnectionwithevaporationandasimplifieddesulphurizationreactionmode.lThesimulateddatawasinagoodaccordancewiththeexperimentaldata.Thesimulateddatashowsthatthedropletsevaporationandt

5、hedesulphurizationreactionmainlyoccurneartheinletofthetowertothesmallerdroplets.Withincreasingthediameterofdroplets,theprocessofthedropletsevaporationandthedesulphurizationreactionwasextended.Meanwhile,thedegreeofdesulphurizationwouldbeimprovedbyraisingthegastemperature,reducingtheinletSO2concentrat

6、ionandincreasingtheslurry/gasratio.Relativetotheone-dimensionalplug-glowmode,lthemodelunderdiscussioncouldvisuallydisplaytheflowfield,elementinthespraytower.temperaturefieldandspatialdistributionofconstituentKeywords:spraytower;slurry-drople;tdesulphurizationreaction;evaporation;numericalsimulation石

7、灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術是目前世界上最成熟的煙氣脫硫工藝,也成為我國火電廠煙氣脫硫的首選工藝。在煙氣脫硫系統(tǒng)中,吸收塔是核心裝置。近年來國內(nèi)外的發(fā)展趨勢表明,噴淋塔逐漸成為濕法煙氣脫硫吸收塔的主流塔型。在噴淋塔內(nèi),含CaCO3顆粒的噴淋漿滴與煙氣中的SO2接觸,SO2氣體溶于液滴中并與CaCO3發(fā)生反應;與此同時,噴淋漿滴中的水分在熱煙氣的作用下升溫蒸發(fā)。由于塔內(nèi)的流動狀況和化學反應過程比較復雜,盡管許多學者對這一過程進行了大量的試驗研究,但是在這方面的模型研究還不是很充分,無論是針對單個液滴進行數(shù)值模擬1)2,還是假設氣相為3)5柱塞流,然后結合脫硫模型進行計算,都不能夠完整地模擬噴淋塔內(nèi)

8、的流動及化學反應過程,無法得出塔內(nèi)的流場、溫度場及各組分質(zhì)量濃度的空間分布規(guī)律。基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(G2005CB221202);東南大學振興行動計劃資助項目(6550057129),男,mai:lmpz065263.。#62#化學工程 2007年第35卷第8期本文建立了噴淋塔漿滴脫硫的簡化模型,將煙氣作為連續(xù)介質(zhì),噴淋漿滴作為離散體系,在Euler坐標系下考察連續(xù)相運動,在Lagrange坐標系下采用隨機軌道模型研究離散相的運動、蒸發(fā)和反應過程,對噴淋塔內(nèi)煙氣脫硫過程進行了詳細的數(shù)值模擬。1 數(shù)學模型1.1 氣相控制方程噴淋塔內(nèi)湍流流動時均特性的連續(xù)方程

9、、動量方程、能量方程用標準k-E雙方程模型來描述,氣相三維湍流方程可用下面通用形式表示:99(Quj<)=#<+S<jj(1)述。根據(jù)以上假設,噴淋塔內(nèi)主要反應過程為:氣相SO2在漿滴表面溶解SO2(g)SO2(l)(5)漿滴內(nèi)SO2與水反應SO2(l)+H2O(l)2SO3(l)(6)因此,根據(jù)膜理論,SO2從氣相主體到液相主體的傳質(zhì)速率N(SO2)可以通過下式計算N(SO2)=dDKGp(SO2)-pL(SO2)(7)4H(SO2)KG=1+(8)kG2)#k式中,dD為漿滴直徑;p(SO2)和pL(SO2)分別為SO2式中,<為通用變量;#<為輸運系數(shù);S&

10、lt;為氣相自身及相間作用源項;x為軸距;u為速度,下標j=1,2,3,分別代表x,y,z3個空間坐標。1.2 顆粒運動方程假定漿滴顆粒為稀相、球形,不考慮漿滴間的相互作用;漿滴受力僅考慮重力和氣相對液滴的曳力,則漿滴的運動方程可以表示為dup)g(Q)p-Q=FD(u-up)+dtpFD=)在氣相和液相的分壓;H(SO2)為SO2的亨利系數(shù);B(SO2)為由于液相存在化學反應而使傳質(zhì)加強的增強因子7;SO2的氣相傳質(zhì)系數(shù)kG可以通過Frossling方程求解kGRTdD0.50.33Sh=2+0.55ReScDGpSO2的液相傳質(zhì)系數(shù)kL通過下式計算L(9)(2)(3)18LCDRe24Qp

11、dp(10).6PuG式中,Sh,Re,Sc分別為Sherwood數(shù)、Reynolds數(shù)和Schmidt數(shù);R為通用氣體常數(shù);T為氣相溫度;DG,DL分別為SO2在氣相和液相的擴散系數(shù);uG為氣相速度。1.4 液滴蒸發(fā)模型噴淋漿液中CaCO3在水中的溶解度極小,可認為含有懸浮微粒漿滴的干燥過程和水滴的干燥是相似的。一般來說,干燥過程中升速階段較短,可以忽略,故在模型計算中只考慮恒速干燥階段和降速干燥階段。1.4.1 恒速干燥階段假設漿滴的恒速干燥階段按純水滴的蒸發(fā)過程進行計算,漿滴表面的溫度為球?qū)ΨQ,周圍的壓力場和熱參數(shù)也認為是均勻的。液膜內(nèi)的溫度參數(shù)及水蒸氣參數(shù)按下式計算:Tf=Ts-(1/

12、3)(Tg-Ts)(11)8kL=式中,u為氣相時均速度;up為顆粒速度;g為重力加速度;Q為流體密度;Qp為液滴顆粒的密度;L為流體動力粘度;dp為顆粒直徑;Re為顆粒雷諾數(shù);阻力系數(shù)CD與顆粒雷諾數(shù)以及顆粒形狀有關,可表示為CD=a1+a2a3+ReRe(4)對于球形顆粒,在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi),a1,a2,a3為常數(shù)。1.3 脫硫反應模型噴淋塔內(nèi)的脫硫反應非常復雜,涉及到SO2的吸收、HSO3的氧化、CaCO3的溶解和CaSO4#2H2O的結晶等復雜的化學反應過程。為了簡化計算,本文在建立脫硫反應模型時作出如下假設:(1)不考慮漿液池的影響,在建模時將其省略。3-(2)根據(jù)Kiil等的研究,

13、噴淋塔中HSO3的氧化、CaCO3的溶解和CaSO4#2H2O的結晶主要發(fā)生在漿液池中,因此,假設在噴淋漿滴與煙氣的接觸過程中僅發(fā)生SO2的吸收反應。SO的吸理論描-6根據(jù)上面的假定,對流傳熱傳質(zhì)可以通過下式來計算:Qd=P#dp#KA(Tf)#(Tg-Ts)#Nu0# #m=P#dp#ln(1+BT)BT(12)KA(Tf)#Nu0#ln(1+BT)P(13)趙健植等 煙氣脫硫噴淋塔的數(shù)值模擬#63#式中,#m為對流傳質(zhì)質(zhì)量;Tg為煙氣溫度;Ts為漿滴表面溫度;Qd為對流傳熱量;cp為液滴的比熱容;KA(Tf)為氣膜內(nèi)煙氣熱傳導系數(shù);Nu0為顆粒沒有蒸發(fā)時對流換熱的平均Nusselt準則,可

14、用Ranz-Marshall公式來表達:1/31/2Nu0=2.0+0.6PrdRedolds數(shù)。Spalding熱量傳遞系數(shù)BT可用下式計算:cg(T-Ts)BT=(15)rw+cl(Ts-Td)式中,rw為水的汽化潛熱;cg和cl分別為煙氣比熱容和水的比熱容;Td為液滴內(nèi)部溫度。1.4.2 降速干燥階段隨著漿滴的蒸發(fā),漿滴中的水分體積分數(shù)逐漸達到臨界濕體積分數(shù),固體顆粒體積分數(shù)開始影響蒸發(fā)速率,漿滴隨之進入降速干燥階段。目前還沒有簡單的關系式來描述降速干燥階段,本文根據(jù)前人的研究假設,認為干燥速率是線性的,則KA(Tf)U-Ue#m=P#dp#Nu0#ln(1+BT)#()cpc-Ue(1

15、6)式中,U,Ue,Uc分別為漿滴的含濕體積分數(shù)、平衡含濕體積分數(shù)和臨界含濕體積分數(shù)。2 數(shù)值計算方法在三維Euler坐標系下采用標準k-E雙方程模型求解連續(xù)、動量、能量和組分方程;在Lagrange坐標系下采用顆粒隨機軌道模型追蹤噴淋漿滴;脫硫反應過程采用雙膜模型;氣相和漿滴相間的動量、能量和組分的耦合采用PSIC算法;差分方程的求解采用p-V修正的SIMPLEC算法。3 模擬計算結果及分析本文采用孔華的試驗參數(shù)建立模型,以驗證模型的合理性。根據(jù)孔華的論文,噴淋塔為圓筒結構,塔體直徑為0.45m,塔高為3.55m,入口煙氣流量為1716.80m/h,入口煙氣溫度150e,SO2入口質(zhì)量濃度為

16、2290mg/m,漿液入口溫度為45e,噴淋量為34.3m/h。噴淋漿滴的初始速度和粒徑作者沒有2,7,10報道,本文按照國內(nèi)外相關試驗的設計參數(shù),取漿滴的初始速度為10m/s,漿滴粒徑為1000Lm。3.1 煙氣溫度對脫硫效率的影響398與模擬結果的比較。從圖中可以看出,隨著入口煙氣溫度的增加,脫硫效率也逐漸增加。這是因為隨著煙溫的升高,煙氣對漿滴的傳熱量也隨之增加,氣液溫度的增加對SO2吸收有兩方面的影響:一方面,漿滴溫度的增加使各離子的液相擴散系數(shù)增加,這會加快漿滴中離子的質(zhì)量傳遞,加速SO2的吸收;另一方面,溫度的增加會導致吸收液面上SO2的平衡分壓增加,不利于氣液傳質(zhì)。在本文研究的溫

17、度范圍內(nèi),由于后者的作用比前者小,所以脫硫效率隨溫度的升高而升高。由圖中還可以看出,模擬結果與實驗結果吻合較好,證明本文的建模方法可以用于噴淋塔內(nèi)熱質(zhì)傳遞和化學反應過程的模擬。(14)式中,Prd,Red分別表示液滴的Prandtl數(shù)和Reyn-圖1 煙氣溫度對脫硫效率的影響Fig.1 Effectofgastemperatureondesulphurizationefficiency3.2 漿滴粒徑對脫硫效率的影響圖2給出了在入口煙氣溫度100e、入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為2290mg/m、液氣比為24L/m的條件下,漿滴直徑為1000Lm和2000Lm時的溫度場及SO2質(zhì)量濃度場等值線圖。

18、圖2 y軸中心截面氣相溫度場和SO2質(zhì)量濃度場等值線圖Fig.2 ContourchartofthegastemperatureandSO2massconcentrationdistributinginyaxiscentersection從圖中可以看出,由于漿滴和煙氣速度方向相反,二相間存在著強烈的熱量和質(zhì)量傳遞。從圖中還可以看出,粒徑小的漿滴由于比表面積比較大,與#64#化學工程 2007年第35卷第8期過程主要發(fā)生在煙氣進入塔體附近;而在相同的噴漿量下,大漿滴由于數(shù)量少,傳質(zhì)面積大大縮小,漿滴在塔內(nèi)的蒸發(fā)以及煙氣脫硫過程較長。3.3 SO2入口質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響圖3為在入口煙氣溫度1

19、00e、液氣比為243L/m、漿滴粒徑為1000Lm條件下入口SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響曲線。從圖中可以看出,隨著SO2入口質(zhì)量濃度的升高,脫硫效率逐漸降低。根據(jù)氣液反應的雙膜理論分析,隨著SO2入口質(zhì)量濃度的增加,煙氣中SO2分壓增大,引起氣液相界面SO2質(zhì)量濃度增大,使得液膜內(nèi)反應面內(nèi)移,SO2在液膜內(nèi)的傳質(zhì)阻力增加,脫硫效率降低。4 結論(1)本文對噴淋塔內(nèi)復雜的脫硫反應過程進行適當簡化,基于膜理論建立脫硫反應模型,在三維坐標系下,以Euler-Lagrange方法對噴淋塔內(nèi)的流動、傳熱、傳質(zhì)等過程進行數(shù)值模擬,模擬結果與文獻試驗結果吻合較好。(2)相對于一維柱塞流噴淋塔脫硫模型,能

20、夠更加直觀地模擬出氣相速度場、溫度場和組分質(zhì)量濃度場的空間分布,可為噴淋塔的運行和優(yōu)化設計提供參考。參考文獻:1 GerbecM,StergarsekA,KocjancicR.SimulationmodelofwetfluegasdesulfurizationplantJ.ComputersChemEngng,1995,19:283)286.2 AmokraneH,SaboniA,CuussadeB.ExperimentalstudyandparameterizationofgasabsorptionbywaterdropsJ.AIChEJ,1994,40(12):1950)1960.3 Ki

21、ilS,MichelsenM,JohansenK.Experimentalinvest-igationandmodelingofawetfluegasdesulfurizationpilotplantJ.Industrial&EngineeringandChemistryeta.lKineticsofResearch,1998,37:2792)2806.4 SadaE,KumazawaH,SawadaY,圖3 入口SO2質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響Fig.3 EffectofSO2massconcentrationondesulphurizationeffeciency3.4 液氣比對脫硫效率的影響圖4為在入口煙氣溫度100e、入口煙氣中3SO2質(zhì)量濃度為2290mg/m、漿滴粒徑為1000Lm的條件下液氣比對脫硫效率的影響曲線。從圖中可以看出,隨著液氣比的增加,脫硫效率也隨之升高,這是由于在煙氣量不變的情況下,液氣比的增加會帶來塔內(nèi)噴淋密度的增加,漿滴與煙氣的接觸面積增大,脫硫效率也隨之增加。absorptionsoflean